惯性技术课件15--光纤陀螺 (哈工大版,1-16全).ppt

Fibre Optic Gyro 光纤陀螺 Outline 光纤陀螺概述 光程差, 相位差和互易性 相位偏置和相位调制 开环、闭环光纤陀螺, 谐振光纤陀螺 1.1 光纤陀螺: 概述 光纤陀螺(FOG): 更好地适应 SINS 的需求 优点: 成本低、体积小、重量轻 发展： 1967 --- 由 Pircher 和 Hepner 首次提出 1970s -- 光纤技术的发展 1976 --- Utah 大学的 Vali 教授第一次演示. 1978 --- McDonnell Douglas 制造出首批产品 自 1980s 后, 美国的 Litton, Honeywell, Draper 和英国, 法国, 德国, 日本和前苏联也迅速跟进. 1.2 光纤陀螺: 国内情况 国内情况 1980s 早期, 原理性研究 (大学中) 1980s 后期, 产品研制 2000s, 行业应用 Precision: 国外: 0.001 0/h 国内: 0.01 0/h Outline 光纤陀螺概述 光程差, 相位差和互易性 相位偏置和相位调制 开环、闭环光纤陀螺, 谐振光纤陀螺 2.1 Sagnac 干涉仪: 静止 环形 Sagnac 干涉仪 光路： 当干涉仪相对惯性空间静止，两条光束的光程相等 当干涉仪以角速度 ω 旋转，两条光束之间出现光程差 2.2*光程差、相位差 两束光之间的光程差 两束光之间的相位差 对于 N 匝线圈 K 称为光纤的标度因数 给定线圈的尺寸, 增加线圈匝数可以提高测量灵敏度 在 10 厘米大小的体积内可以缠绕 500～2500米的光纤 Outline 光纤陀螺概述 光程差, 相位差和互易性 相位偏置和相位调制 开环、闭环光纤陀螺, 谐振光纤陀螺 3.1 输出检测 在检测器上形成干涉条纹 当光纤线圈静止 检测器上的干涉条纹对应最大的输出 3.2*输出灵敏度和相位偏置 当光纤线圈转动,出现相位差,导致干涉条纹移动. 检测器的输出发生改变 Δφ= 0 的位置灵敏度最低 对策: 引入相位偏置, 使工作点移到 Δφ =π/2 处 固定的相位偏置: -- 幅值难以精确控制 3.3 交变相位偏置 交变的相位偏置: -- 交变的幅值选取为 π/2 当输入的相移 Δφ=0，检测器的输出如左图所示. 当 Δφ≠0, 检测器的输出如右图所示. 输出信号的均值取决于当前曲线下的面积. 3.3 交变相位偏置 输出信号的均值取决于当前曲线下的面积. 输出 I 均值的变化和 Δφ 之间是正弦关系. Δφ 的正负号可以由输出的一次谐波确定. 相位调制和相位调制器 (PM) Outline 光纤陀螺概述 光程差, 相位差和互易性 相位偏置和相位调制 开环、闭环光纤陀螺, 谐振光纤陀螺 4.1 开环干涉型光纤陀螺 光束经分束点 SL 成为两束光 从两端进入光纤线圈 从相反的端部出来 中间都经过相位调制器 PM 经过分束点 SL 后汇合 由 D 检测，产生输出电流 I 由相敏解调器 PSD 解调 DC 直流分量正比于 Δφ 4.1 开环干涉型光纤陀螺 PM -- 相位调制器 PSD - 相敏解调器 开环干涉型 缺陷: 明显的非线性 输入范围小 精度差 4.2*闭环干涉型光纤陀螺 引入放大器 SF 和相位变换器 PT, 形成闭环. D 的输出由 PSD 解调 然后由 SF 放大 再驱动相位变换器 PT PT 产生相移 Δθ Δθ 抵消由 ω 产生的 Δφ PSD 的输出被保持在零位附近 把 PT 产生的Δθ 作为输出 特点: 工作点总保持在线性度和灵敏度最高处. 4.3 谐振型光纤陀螺 来自 LR 的激光被 SL 分成两束, 从两端进入线圈 (谐振器). 当光纤陀螺旋转, 两束光的谐振频率变化. 频率差和输入角速度成正比, 由两个检测器和 PSD 测量. Summary 光纤陀螺概述 光程差, 相位差和互易性 相位偏置和相位调制 开环、闭环光纤陀螺, 谐振光纤陀螺 End